CN115159877B - 一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，以CO2作为热载体介质，利用天然气纯氧燃烧/电力等离子炬提供高温热源，代替煤粉燃烧，过程中由于没有煤粉燃烧，不产生污染物的排放；CO2作为热载体的天然气纯氧燃烧器/高温等离子炬提供悬浮气流，传质、传热、反应效率高，可大幅度的减少设备空间。天然气纯氧燃烧器是以天然气和纯氧燃烧，利用CO2作为热载体控制燃烧后的温度。等离子炬是以CO2作为等离子气体，在电力的作用下，使CO2成为等离子气体，具有传热、传质速度快、温度可控等优点，为纯物理加热过程，无未燃尽物质，不产生污染。

Description

一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法
技术领域
本发明属于制作水泥熟料技术领域，具体涉及一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法。
背景技术
传统的制作水泥熟料的方法是通过煤粉或其它燃料(垃圾、生物质等)燃烧提供热量对生料成进行加热分解，并进行烧成。燃料燃烧后，一是会造成大量的CO2排放，且排放烟气CO2浓度低导致捕集成本高；二是导致NOX、SO2等污染物排放；三是烧成设备占用空间大。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，以CO2作为热载体介质，利用天然气富氧燃烧/电力等离子炬技术提供高温热源，代替煤粉燃烧，过程中由于没有煤粉燃烧，不产生污染物的排放，避免CO、NOX、SO2等污染物的排放，过程中以CO2作为载体，烟气中CO2浓度在80％以上，大大降低了CO2的捕集成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，包括以下步骤；
S1：水泥生料进入预分解器1，预分解后的物料进入旋风分离器一2；旋风分离器一2上部烟气进入余热回收发电装置3；回收完余热的CO2烟气通过电除尘和布袋除尘装置4后，进入净化工序，净化工序包括冷却降温及分离单元，经过分离提纯后的CO2一部分经过风机或压缩机5循环使用，另一部分CO2进入CCUS装置6进行提纯；
S2：经S1中旋风分离器一2分离后的物料由料腿及分布器7，进入悬浮煅烧器8，被上升气流升温；
S3：根据粒径分布，确定颗粒临界流化风速
Figure GDA0004072075170000021
Figure GDA0004072075170000022
和颗粒输送风速/>
Figure GDA0004072075170000023
使煅烧段固体颗粒处于悬浮状态，根据悬流气速操作气速ν，选择悬浮煅烧器8煅烧段的上部直径
Figure GDA0004072075170000024
S4：根据生料分解、煅烧特性及反应速率，选择停留时间t1，选择悬浮煅烧器8煅烧上部的长度l1＝ν×t1；
S5：在煅烧段的上部设置多层等离子炬装置9，等离子炬装置9每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，根据等离子炬装置9的功率调整预分解段的温度，温度低时开启等离子炬装置9和加大等离子炬装置9功率；
S6：根据粒径分布，确定颗粒输送风速νl，
Figure GDA0004072075170000025
Figure GDA0004072075170000026
选择(1-3vl)颗粒粒径快速输送气速ν2，设置缩口直径d2，防止未烧结成颗粒的物料进入到烧成段，根据停留时间及工艺要求，设置多个缩口装置；
S7：S6中烧结成的大颗粒通过缩口装置后进入烧成段，当颗粒直径增大后，对应的临界流化速度增加，当气速不足以支撑流化时，通过缩口进入烧成段，选择烧成熟料的颗粒直径φ(1-20mm)，选择熟料烧成段悬流气速ν3，根据悬流气速选择悬浮炉烧成段的直径d3，部分未烧成的颗粒直径小于φ的生料，通过气流输送至预分解段继续分解；
S8：在悬浮炉熟料生成段的下部设置多层CO2等离子炬装置9，等离子炬装置9每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，提供熟料烧成及预分解所需要的热量；根据等离子炬装置9的功率调整煅烧段的温度；
S9：悬浮炉熟料生成段烧成的熟料通过向下的输送管至流化床冷却器10，流化床冷却器10上部气体一部分进入悬浮床煅烧段提供上升气流，另一部分通过旋风分离器二11分离，旋风分离器二11上部气体回收熟料余热后，进入喷嘴作为热载体介质；旋风分离器二11下部的固体颗粒返回至流化床冷却器10或悬浮床煅烧段；
S10：通过以上1-10步骤的控制，烧成熟料满足标准需求。
所述S1中煅烧段上升气流温度为850-1450℃，预分解的温度为650-950℃，净化工序中分离采用溶剂、或膜分离、或低温精馏的方式。
所述预分解器1由煅烧段提供上升气流，由喷枪提供热量维持预分解的温度，保证生料分解率大于85％。所述S1中预分解器1为输送床操作，根据生料的粒径分布，选择颗粒输送风速1-2νl，
Figure GDA0004072075170000031
Figure GDA0004072075170000041
根据生料的停留时间(10-30s)及分解速率，选择预分解器1的高度，预分解器1的直径和长度由颗粒的输送风速和停留时间确定。
所述S2中被上升气流升温至850-1450℃。
所述S3中选择颗粒悬流操作气速(1～3)vmf并小于输送速度(0.15-0.35)vl。
所述S5中喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°。
所述S8中喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°。
所述S9中流化床冷却器10通过循环CO2气体将熟料冷却至温度100℃以内；通过流化床冷却器10床层厚度及冷却后的CO2循环量来控制熟料冷却后的温度稳定(100℃以内)，通过床层厚度、停留时间、气流速度选择流化床冷却器10的直径。
所述S10选择熟料粒径1-20mm，游离CaO的含量。
本发明的有益效果：
本发明以CO2作为热载体介质，利用天然气纯氧燃烧/电力等离子炬技术提供高温热源，代替煤粉燃烧，过程中由于没有煤粉燃烧，不产生污染物的排放，避免CO、NOX、SO2等污染物的排放；
以CO2作为热载体介质，过程中基本无其他气体杂质排放，大大降低CO2的捕集成本，为CO2的资源化应用创造了条件。
水泥分解过程采用悬浮、输送床操作，CO2作为热载体的天然气纯氧燃烧器/高温等离子炬为水泥分解提供气流，传质、传热、反应效率大大提高，可大幅度的减少设备空间。
附图说明
图1为一种采用以天然气为驱动热源制作水泥熟料的装置(方法)的原理图。
图2为一种采用以电力为驱动热源制作水泥熟料的装置(方法)的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
S1，水泥生料进入预分解器1，预分解器1由煅烧段提供上升气流，煅烧段上升气流温度为850-1450℃，由喷枪提供热量维持预分解的温度(650-950℃)，保证生料分解率(大于85％)，预分解后的物料进入旋风分离器一2；旋风分离器一2上部烟气进入余热回收发电装置3；回收完余热的CO2载体通过电除尘和布袋除尘装置4后，进入净化工序，净化工序主要由冷却降温及分离单元构成，分离可采用溶剂、或膜分离、或低温精馏等方式，经过分离提纯后的CO2经过风机或压缩机5循环使用，多余CO2进入CCUS装置6进行提纯；预分解器1为输送床操作，根据生料的粒径分布，选择颗粒输送风速1-2vl，
Figure GDA0004072075170000051
根据生料的停留时间(10-30s)及分解速率，选择预分解器1的高度。
S2，经旋风分离器一2分离后的物料由料腿及分布器7，进入悬浮煅烧器8，被上升气流升温至850-1450℃；
S3，根据粒径分布，确定颗粒临界流化风速
Figure GDA0004072075170000061
Figure GDA0004072075170000062
和颗粒输送风速/>
Figure GDA0004072075170000063
选择颗粒悬流操作气速(1～3)vmf并小于输送速度(0.15-0.35)vl，使煅烧段固体颗粒处于悬浮状态，根据悬流气速操作气速v，选择悬浮炉煅烧段的上部直径/>
Figure GDA0004072075170000064
S4，根据生料分解、煅烧特性及反应速率，选择停留时间t1，选择悬浮炉煅烧上部的长度l1＝ν×t1；
S5，在煅烧段的上部设置多层喷嘴装置，等离子炬装置9每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°，根据等离子炬装置9的功率调整预分解段的温度，温度低时开启等离子炬装置9和加大等离子炬装置9功率；
S6，根据粒径分布，确定颗粒输送风速
Figure GDA0004072075170000065
Figure GDA0004072075170000066
选择(1-3νl)颗粒粒径快速输送气速ν2，设置缩口直径d2，防止未烧结成颗粒的物料进入到烧成段；根据停留时间及工艺要求，可设置多个缩口装置；
S7，烧结成的大颗粒通过缩口后进入烧成段，当颗粒直径增大后，对应的临界流化速度增加，当气速不足以支撑流化时，通过缩口进入烧成段，选择烧成熟料的颗粒直径φ(1-20mm)，选择熟料烧成段悬流气速ν3，根据悬流气速选择悬浮炉烧成段的直径d3，部分未烧成的颗粒直径小于φ的生料，通过气流输送至预分解段继续分解；
S8，在悬浮炉熟料生成段的下部设置多层等CO2离子炬装置，等离子炬装置9每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°，提供熟料烧成及预分解所需要的热量；根据等离子炬装置9的功率调整煅烧段的温度；
S9，悬浮炉熟料生成段烧成的熟料通过向下的输送管至流化床冷却器10，通过循环CO2气体将熟料冷却至温度100℃以内；通过流化床床层厚度及冷却后的CO2循环量来控制熟料冷却后的温度稳定(100℃以内)；流化床上部气体一部分进入悬浮床煅烧段提供上升气流，另一部分通过旋风分离器二11分离，分离器上部气体回收熟料余热后，进入喷嘴作为热载体介质；分离器下部的固体颗粒返回至流化床冷却器10或悬浮床煅烧段；通过床层厚度、停留时间、气流速度选择流化冷却器的直径。
S10，通过以上1-10步骤的控制，烧成熟料满足标准需求。(选择熟料粒径1-20mm，游离CaO的含量等)。
本发明提供一种基于以CO2为热载体的天然气纯氧燃烧/电力等离子炬为驱动热源的装置产生高温悬浮气流，将水泥生料制作成熟料，一是避免CO、NOX、SO2等污染物的排放；二是提高反应效率，减少反应空间，降低设备投资和占用空间；三是大大降低CO2的捕集成本，为CO2的资源化应用创造了条件。
本发明以CO2作为热载体介质，利用天然气纯氧燃烧/电力等离子炬技术提供高温热源，代替煤粉燃烧，过程中由于没有煤粉燃烧，不产生污染物的排放；CO2作为热载体的天然气纯氧燃烧器/高温等离子炬提供悬浮气流，传质、传热、反应效率高，可大幅度的减少设备空间。
天然气纯氧燃烧器是以天然气和纯氧燃烧，利用CO2作为热载体控制燃烧后的温度。
等离子炬是以CO2作为等离子气体，在电力的作用下，使CO2成为等离子气体，具有传热、传质速度快、温度可控等优点，为纯物理加热过程，无未燃尽物质，不产生污染。
天然气驱动是天然气纯氧燃烧提供窑炉烧成所需的热量，以二氧化碳作为载热介质控制窑炉的操作温度和操作气速。
电力驱动是以电力等离子炬装置9提供窑炉烧成所需的热量，以二氧化碳作为等离子体介质和载热介质控制窑炉的操作温度和操作气速。

Claims (7)

1.一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1：水泥生料进入预分解器(1)，预分解后的物料进入旋风分离器一(2)；旋风分离器一(2)上部烟气进入余热回收发电装置(3)；回收完余热的CO2烟气通过电除尘和布袋除尘装置(4)后，进入净化工序，净化工序包括冷却降温及分离单元，经过分离提纯后的CO2经过风机或压缩机(5)循环使用，多余CO2进入CCUS装置(6)进行提纯；
S2：经S1中旋风分离器一(2)分离后的物料由料腿及分布器(7)，进入悬浮煅烧器(8)，被上升气流升温；
S3：根据粒径分布，确定颗粒临界流化风速vmf，
Figure FDA0004186530220000011
Figure FDA0004186530220000012
和颗粒输送风速vl，公式，/>
Figure FDA0004186530220000013
使煅烧段固体颗粒处于悬浮状态，根据操作气速ν，选择悬浮煅烧器(8)煅烧段的上部直径/>
Figure FDA0004186530220000014
S4：根据生料分解、煅烧特性及反应速率，选择停留时间t1，选择悬浮煅烧器(8)煅烧上部的长度l1＝v×t1；
S5：在煅烧段的上部设置多层等离子炬装置(9)，等离子炬装置(9)每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，根据等离子炬装置(9)的功率调整预分解段的温度，温度低时开启等离子炬装置(9)和加大等离子炬装置(9)功率；
S6：根据粒径分布，确定颗粒输送风速vl，选择1vl-3vl颗粒粒径快速输送气速ν2，设置缩口直径d2，防止未烧结成颗粒的物料进入到烧成段，根据停留时间及工艺要求，设置多个缩口装置；
S7：S6中烧结成的大颗粒通过缩口装置后进入烧成段，当颗粒直径增大后，对应的临界流化速度增加，当气速不足以支撑流化时，通过缩口进入烧成段，选择烧成熟料的颗粒，直径φ为1-20mm，选择熟料烧成段悬流气速ν3，根据悬流气速选择悬浮炉烧成段的直径d3，部分未烧成的颗粒直径小于φ的生料，通过气流输送至预分解段继续分解；
S8：在悬浮炉熟料生成段的下部设置多层CO2等离子炬装置(9)，等离子炬装置(9)每个截面设置2个以上等离子炬喷嘴，提供熟料烧成及预分解所需要的热量；根据等离子炬装置(9)的功率调整煅烧段的温度；
S9：悬浮炉熟料生成段烧成的熟料通过向下的输送管至流化床冷却器(10)，流化床冷却器(10)上部气体一部分进入悬浮床煅烧段提供上升气流，另一部分通过旋风分离器二(11)分离，旋风分离器二(11)上部气体回收熟料余热后，进入喷嘴作为热载体介质；旋风分离器二(11)下部的固体颗粒返回至流化床冷却器(10)或悬浮床煅烧段；
S10：通过以上S1-S9步骤的控制，烧成熟料满足标准需求；
所述S1中煅烧段上升气流温度为850-1450℃，预分解的温度为650-950℃，净化工序中分离采用溶剂、或膜分离、或低温精馏的方式；
所述预分解器(1)由煅烧段提供上升气流，由喷枪提供热量维持预分解的温度，保证生料分解率大于85％；所述S1中预分解器(1)为输送床操作，根据生料的粒径分布，选择颗粒输送风速1-2νl，根据生料的停留时间10-30s及分解速率，选择预分解器(1)的高度，预分解器(1)的直径和长度由颗粒的输送风速和停留时间确定。
2.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S2中被上升气流升温至850-1450℃。
3.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S3中选择颗粒悬流操作气速为1νmf～3νmf并小于输送速度0.15νl-0.35νl。
4.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S5中喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°。
5.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S8中喷嘴采用切圆的方式布置，内切圆的可调直径为0.1～0.5d，并设置有水平向下的可调倾角0～60°。
6.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S9中流化床冷却器(10)通过循环CO2气体将熟料冷却至温度100℃以内；通过流化床冷却器(10)床层厚度及冷却后的CO2循环量来控制熟料冷却后的温度稳定在100℃以内，通过床层厚度、停留时间、气流速度选择流化床冷却器(10)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种采用以电力或天然气为驱动热源生产水泥熟料的方法，其特征在于，所述S10选择熟料粒径1-20mm。
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